航测数模技术应用分析

　　摘要：高速公路改扩建工程需要面对既有的道路实体，因此与高速公路新建工程有着较大的差异，这也带来了一系列新的问题和难题，先进的数字化勘测设计技术则为这些问题和难题提供了有效的解决方案。本文作者介绍了航空摄影测量技术的概念及在公路改扩建应用实施要点，分析了数字地面模型的应用。

　　关键词：航测；数模；应用；分析

　　1.航空摄影测量技术

　　1.1航空摄影测量

　　航空摄影测量是以空中摄影获取的像片为基础，根据所获航片上的构像信息，从几何和物理方面加以分析研究，从而获取所摄对像信息的一门学科。由于摄影获取的信息量大，反映物体细致、客观，真实和详尽地记录了摄影瞬间的地表形态，具有良好的量测精度和判读性能，能方便地获得被摄地区的大比例地形资料。与传统的公路勘测设计手段相比，航测把繁重的外业工作大部分变为室内工作，节省了人力、物力，不但大幅度降低劳动强度、提高工效，而且可以保证地形图成图精确，特别是对人烟稀少、气候恶劣和地形困难的地区，效果尤为明显；由于利用航测像片可以获得大面积与实地相似的立体模型和地形图，有利于在大区域内进行路线多方案比选，不遗漏优秀方案；借助数字摄影测量，可直接产生被摄地区的地形三维数据，为公路测设自动化系统提供原始地形数据。

　　1.2公路改扩建应用实施要点

　　1.2.1准备工作。准备工作主要包括接受任务，收集资料，进行路线方案研究，航带设计，完成航摄技术计算，编制领航图等。a.航摄范围的确定：由于老路改扩建工程较多利用原有道路进行改扩建，很少重新开辟新的走廊带，因而航摄范围基本是确定的。在局部路段，可能会有分线，也可能需要采用新的路线方案，因而需要结合实际情况，对这些地段左右加宽200m甚至更大的区域，以保证不漏测，为多方案比选创造条件。b.航摄仪、摄影比例尺与航高的确

　　定：为了保证航摄资料的质量，应尽可能选择性能先进的航摄仪，一般公路航摄首选23×23cm大像幅的航摄仪。公路摄影测量规范规定，航测高程误差可达1/2～1倍等高距，相当于1∶2000比例地形图上0.5m～1m（平原区）和1m～2m（山区）的高程误差。

　　由于老路改扩建的测设工作涉及到路面加宽、桥梁拼接等问题，对既有路面和构造物的高程精度要求较高，上述常规航测精度是难以满足实际工程需要的。因此，在满足航摄飞机的安全飞行高度、航摄范围覆盖公路路线方案走廊的前提下，应尽可能选用较大的摄影比例尺。在航影比例尺和航摄机选定的条件下，可以根据式1确定设计的摄影航高：

　　H=m・f（1）

　　式中：H为摄影航高；m为航摄比例尺分母；f为航摄机主距（即镜头中心至像片平面的垂直距离）。上式可以改写成：1/m=f/H（2）

　　不难看出，为了适用于老路改扩建应用，得到大比例尺的地形图，应尽可能降低航高，使用长焦距镜头。

　　1.2.2航带设计。航测是沿着路线方向进行的，但是路线并不是一条直线，所以为了保证航线的直线性，需要将路线分成若干个测段，每一测段再分成若干条航带。航带设计，应满足实际生产的需要。测段和航带一旦确定，就可以根据摄影比例尺及航向、旁向重叠度的要求，确定摄影基线和航线间隔，最后得到可用于摄影工作的一系列资料。a.摄影工作：对于老路改扩建而言，摄影工作没有特殊要求，只要满足相关规范要求即可，最后得到的成果是航片。b.外业工作：外业工作主要是指像片的调绘和野外控制测量（GPS、RTK、电子水平仪、全站仪）。c.内业工作：常规的内业工作主要包括电算加密、立体测图、底图清绘整饰、晒印等。考虑老路改扩建设计的实际需要，一般要求提供可以由计算机自动识别和处理的地形数据资料。现阶段已经推广应用的数字摄影测量系统完全可以满足实际生产的需要。

　　2.数字地面模型的应用

　　为了研究如何利用从摄影测量获得的数据通过数字化计算方法来加快公路设计，美国麻省理工学院的Chaires.L.Miller教授提出了数字地面模型这一概念。从数模概念的提出至今，随着计算机技术的飞跃发展，数模的应用越来越广泛，在公路工程领域，它已经成为现代CAD系统的核心，是进行数字化设计的前提。

　　2.1高精度构网数据的获取

　　由于航空摄影测量技术自身的限制，航测数据中路面部分的高程精度往往难以达到设计要求的精度，这就有需要采取必要的补测措施，获取高精度的路面三维坐标。GPS-RTK+电子水准仪三维测量技术为此提供了一套可行的解决方案。RTK是指载波相位实时动态差分定位（Real-TimeKinematic），它是GPS发展的最新形式。RTK要求一台基准站和至少一台流动站及相配套的数据通讯链。基准站实时地把测站信息和所有观测值通过数据链传递给流动站，流动站用先进的处理技术来瞬时求出流动站的三维坐标。其平面精度可以满足设计需要，但高程精度则不能，需要采取有效的方法来弥补。高程测量中通常应用的高程系统主要有大地高程系统、正常高系统和正高系统。大地高程系统以椭球面为基准，正高系统以大地水准面为基准。正高实际上是无法严格确定的，为实用上的方便，通常采用前苏联莫洛金斯基的理论建立的正常高系统，通过计算得到正常高。计算正常高的精度，主要取决于大地高差和高程异常的精度，其中高程异常差的精度与其计算方法及其所利用的资料密切相关。GPS测量资料与水准测量资料相结合，来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当，分布比较均匀。利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差，并根据建立的适当大地水准面数学模型，内插出计算点的高程异常或异常差，从而得出特定点的正常高。这套GPS-RTK+电子水准仪三维数据采集方案，使GPS测量的高程值能够满足工程需要，且效率较高，完全可以取代常规地面测量作业。

　　2.2数字地面模型和数字路基模型

　　数字地面模型是一个表征地形特征的、空间分布的、有规则的数字阵列，也就是将地形表面用密集的三维坐标表示的一种数学表达式。根据数模中已知数据点的分布形式并考虑到数据输出格式及数据处理方式，可将数字地面模型大致分为规则数模、半规则数模和不规则数模三大类，现在公路CAD系统中经常使用的是不规则三角网数模。构建不规则三角网数模的各项关键技术，如海量数据的处理技术、考虑地形特征线等约束线的构网技术、多模型叠加技术等，已经解决并大范围推广应用。针对老路改扩建，数模的应用又具有特殊性。

　　3.结束语

　　高速公路在过去一段时间为国民经济的迅速发展起到了积极作用，但是随着时间的推移，这些技术指标相对较低的高速公路，其交通容量已达到饱和，再加上各种病害，使得车辆在这些高速路上难以"高速"行驶，服务水平明显降低，不能满足当地经济快速发展的需要，因而有必要对其进行改扩建，使其能够更好地为车辆提供安全、高效、快捷的服务。由于高速公路改扩建工程需要面对既有的道路实体，因此与高速公路新建工程有着较大的差异，这也带来了一系列新的问题和难题，先进的数字化勘测设计技术则为这些问题和难题提供了有效的解决方案。